SST Voltage Challenges: Mga Topolohiya & SiC Tech

Isa-isa sa mga pangunahing hamon ng Solid-State Transformers (SST) ang sapat na rating ng voltaje ng iisang power semiconductor device para ma-handling nito ang medium-voltage distribution networks (halimbawa, 10 kV). Ang pag-aaddress sa limitasyon ng voltaje ay hindi nakasalalay sa isang tanging teknolohiya, kundi sa isang "pagsasama-samang pamamaraan." Ang pangunahing estratehiya ay maaaring ikategorya sa dalawang uri: "panloob" (sa pamamagitan ng pagbabago sa teknolohiya at materyales sa antas ng device) at "pakikipagtulungan sa labas" (sa pamamagitan ng circuit topology).

1. Pakikipagtulungan sa Labas: Pag-solve sa pamamagitan ng Circuit Topology (Kasalukuyang Pinakamainstream at Matatag na Pamamaraan)
Ang ito ang kasalukuyang pinakamapanigurado at malawakang ginagamit na pamamaraan sa medium- at high-voltage, high-power applications. Ang core idea nito ay "strength in unity"—gamit ang series connections o modular combinations ng maraming devices upang bahagin ang mataas na voltaje.

1.1 Series Connection ng Device

Prinsipyo: Maraming switching devices (halimbawa, IGBTs o SiC MOSFETs) ang direkta na konektado sa series upang kolektibong tanggihan ang mataas na voltaje. Ito ay katulad ng pagkonekta ng maraming battery sa series upang makamit ang mas mataas na voltaje.

Mga Pangunahing Hamon:

• Dynamic Voltage Balancing: Dahil sa kaunting pagkakaiba sa mga parameter ng mga device (halimbawa, bilis ng switching, junction capacitance), ang voltaje ay hindi maaaring pantay na ibahagi sa mga device sa panahon ng high-speed switching, na maaaring magresulta sa overvoltage at pagkabigo ng isang device.

• Solutions: Kinakailangan ng komplikadong aktibong o pasibong voltage balancing circuits (halimbawa, snubber circuits, gate control) upang ipatupad ang voltage sharing, na nagdudulot ng pagtaas ng komplikasyon at cost ng sistema.

2. Multilevel Converter Topologies (Pinakamainstream na Pagpipilian para sa SST Ngayon)

2.1 Prinsipyo: Ito ang higit na advanced at may mas mataas na performance na "modular series" concept. Ito ay lumilikha ng stepped approximation ng sine wave gamit ang maraming voltage levels, kaya ang bawat switching device ay lang ang tumatanggap ng bahagi ng kabuuang DC bus voltage.

2.2 Karaniwang Topologies:

• Modular Multilevel Converter (MMC): Isa sa mga paborito na topologies para sa medium- at high-voltage SSTs. Ito ay binubuo ng maraming identical submodules (SMs) na konektado sa series. Bawat submodule karaniwang kasama ang capacitor at ilang switching devices. Ang mga device ay lang ang nagtatanggapi ng voltaje ng capacitor ng submodule, na epektibong nagso-solve ng issue ng voltage stress. Ang mga benepisyo ay kinabibilangan ng modularity, scalability, at excellent output waveform quality.

• Flying Capacitor Multilevel Converter (FCMC) at Diode-Clamped Multilevel Converter (DNPC): Kasama rin sa karaniwang multilevel structures, ngunit naging structurally at control-wise complex habang tumataas ang bilang ng levels.

• Benepisyo: Pundamental na nagso-solve ng voltage rating limitation ng individual devices, malaking pag-improve sa kalidad ng output voltage waveform, at pagbawas ng laki ng filter.

3. Input-Series Output-Parallel (ISOP) Cascaded Structure

• Prinsipyo: Maraming buong, independent power conversion units (halimbawa, DAB, Dual Active Bridge) ang konektado sa kanilang inputs sa series upang tanggihan ang mataas na voltaje at outputs sa parallel upang magbigay ng mataas na current. Ito ay isang system-level modular solution.

• Benepisyo: Bawat unit ay isang low-voltage standard module, simplifying design, manufacturing, at maintenance. Mataas na reliabilidad (ang pagkabigo ng isang unit ay hindi nagdisrupt sa overall system operation). Napakasuitable para sa modular design philosophy ng SST.

4. Panloob na Pagtibay: Teknolohikal na Pagbabago sa Antas ng Device (Pangungunahing Direksyon ng Pag-unlad sa Hinaharap)

Ang pamamaraang ito ay pundamental na nag-aaddress ng isyu mula sa perspektibo ng materials science at semiconductor physics.

4.1 Paggamit ng Wide-Bandgap Semiconductor Devices

Prinsipyo: Ang bagong henerasyon ng semiconductor materials tulad ng silicon carbide (SiC) at gallium nitride (GaN) ay may critical breakdown electric fields na isang order of magnitude mas mataas kaysa sa traditional silicon (Si). Ito ang nangangahulugan na ang SiC devices ay maaaring makamit ang mas mataas na voltage ratings sa parehong thickness kumpara sa Si devices.
Benepisyo:

• Mas Mataas na Voltage Rating: Ang iisang SiC MOSFET ngayon ay madaling makakamit ang voltage ratings na higit sa 10 kV, samantalang ang silicon IGBTs ay tipikal na limitado sa ibaba ng 6.5 kV. Ito ay nagbibigay-daan sa simplified SST topologies (pagbabawas ng bilang ng series-connected devices).

• Mas Mataas na Epekibilidad: Ang wide-bandgap devices ay nagbibigay ng mas mababang conduction resistance at switching losses, na nagpapahintulot sa SSTs na gumana sa mas mataas na frequencies, na siyang nagpapabawas ng laki at timbang ng magnetic components (transformers, inductors).
  

• Status: Ang high-voltage SiC devices ay kasalukuyang isa sa mga hot topic sa SST research at ito ang itinuturing na key enabling technology para sa future disruptive SST designs.

4.2 Superjunction Technology

• Prinsipyo: Isang advanced technique para sa silicon-based MOSFETs na nagpapakilala ng alternating P-type at N-type pillar regions upang baguhin ang distribution ng electric field, na siyang malaking nagpapabuti ng voltage blocking capability habang pinapanatili ang mababang on-resistance.

• Application: Pribadong ginagamit sa mga device na may voltage ratings sa pagitan ng 600 V at 900 V. Ginagamit sa low-voltage side o lower-power sections ng SSTs, ngunit hindi pa sapat para sa direct medium-voltage applications.

5. Paghihinuha

Paano ma-address ang voltage rating limitations ng power semiconductor devices sa SSTs?

• Ang pinakapraktikal at pinakamapanigurado na solusyon sa kasalukuyan ay ang pag-adopt ng multilevel converter topologies (lalo na ang Modular Multilevel Converters, MMC) o cascaded input-series output-parallel (ISOP) structures. Ang mga pamamaraang ito, batay sa mature silicon-based devices, ay nag-iikot sa paligid ng voltage rating bottleneck ng individual devices sa pamamagitan ng sophisticated system-level architectures.

• Ang pundamental na solusyon para sa hinaharap ay nasa maturation at cost reduction ng high-voltage wide-bandgap semiconductor devices, lalo na ang silicon carbide (SiC). Kapag natamo, ang SST topologies ay maaaring mabawasan nang significante, na nagbibigay-daan sa isang leap forward sa epekibilidad at power density.

Sa aktwal na SST research and development, madalas na pinagsasama ang maraming teknolohiya—halimbawa, ang paggamit ng MMC topology gamit ang SiC devices—upang makamit ang optimal na performance at reliabilidad.